基于介电润湿液滴精准驱动检测反馈系统研究

本文针对当前对基于介电润湿液滴精准操控的迫切要求,设计了一种液滴驱动检测反馈系统。首先检测装置获取液滴位置数据并传送给控制装置,然后控制装置对数据进行处理并反馈给驱动装置,最后驱动装置将液滴输运至目标位置,实现闭环结构。通过对液滴输运的异常情况检测进行实验,验证了驱动检测反馈系统可实现液滴的精准操控。

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.

介电润湿液体透镜仿生复眼的设计与仿真

为解决仿生复眼系统不能自适应变焦的问题,提出了一种基于介电润湿液体透镜曲面阵列的可变焦仿生复眼系统。分析系统结构对成像性能的影响,计算系统的自适应变焦能力及相应像平面可移动范围。结果表明:系统成像的视场角随着基底曲率的增大而增大。相比于非均匀透镜阵列,均匀透镜阵列可明显降低系统的离焦像差。适当减小子透镜单元尺寸,也可以达到降低边缘透镜离焦像差的目的。当物距或者接收器位置发生改变时,通过调整子透镜单元焦距降低系统的离焦像差。系统接收器可移动范围为1.9 mm~15 mm。

基于介电润湿效应的微液滴操控

基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进。结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数字微流控芯片,并加工出介电层分别为SiO2及SiO2-Si3N4-SiO2两种结构的芯片。实验结果表明,在接触角饱和阶段,所改进的Young-Lippmann方程能在一定程度上反映微液滴接触角的变化趋势。此外,SiO2-Si3N4-SiO2复合介电层结构中的微液滴操控电压低于SiO2单一介电层中微液滴操控电压。

基于介电润湿效应的叠加式液体透镜波前校正

设计了一种基于介电润湿效应的叠加式液体透镜,分析其对含有曲率误差、倾斜误差和活塞误差的畸变波前的校正能力。采用COMSOL软件构建叠加式液体透镜模型,仿真模拟了不同电压组合下液体界面面型的变化情况,获得该叠加式液体透镜内双液体界面的变化范围;采用ZEMAX软件,借助点扩散函数变化,分析该透镜对波前任意点处曲率误差、倾斜误差和活塞误差的校正能力。结果表明:该叠加式液体透镜可以实现同时对不同类型畸变波前的校正,相应的峰谷值(PV)由校正前19.7853λ下降到校正后0.18λ,均方根值(RMS)由校正前5.6638λ减小到校正后0.0355λ,斯特列尔比(SR)由校正前的接近0值提高到0.962的较理想状态。

介电材料在介电润湿器件中的应用进展

介电材料的选择以及介电层的制备是介电润湿器件制作工艺中最关键的部分,在介电润湿器件中,介电层不仅是其重要组成部分,也是影响器件实用性能和具体应用领域的关键。首先简述了介电润湿驱动的原理以及介电材料的选取原则,然后在结合国内外该领域研究现状的基础上对已报道的介电材料在各类介电润湿器件中的应用实例进行了归纳,最后对目前介电材料在应用中出现的问题以及解决方法进行了讨论。

介电润湿驱动的变焦液体透镜电动力学分析

为增进对液体微透镜变焦的动力学特征的理解,将晶格玻尔兹曼方法与电动力模型相结合,提出了一种晶格玻尔兹曼-电动力(LB-ED)方法研究介电润湿(EWOD)驱动的变焦液体微透镜原理.采用晶格玻尔兹曼方法求解Navier-Stokes方程以研究透镜的变焦过程,引入新的分布函数求解电场分布以计算驱动透镜变焦的电场力.首先数值分析了EWOD效应,并与理论分析及实验结果进行对比,验证数值方法的准确性;然后研究了电压对EWOD驱动的变焦液体透镜焦距的影响;分析了透镜变焦的动态过程;最后讨论了绝缘液体黏度对透镜响应时间及系统稳定性的影响.研究表明:不仅低电压下接触角变化与Lippmann-Young方程吻合良好,且高电压时出现接触角饱和现象,与实验结果一致,数值方法正确;根据数值计算和理论推导,建立了电压与焦距的关系;施加电压的初始时刻,电场力引起接触角突变,透镜需要延迟时间响应接触角的变化;发现绝缘液体黏度过小,系统处于振荡状态,黏度过大,系统处于过阻尼状态.合适的液体黏度可以使系统性能达到最佳.

基于介电润湿的数字微流控系统液滴精准生成与分裂

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统能实现微升级别的多个液滴移动、分裂、合成等操作。针对目前基于EWOD的DMF系统液滴生成和分裂精度不高、效率低、难以精准控制的问题,在传统的电极设计基础上,设计了一种可以实现液滴精准生成和分裂的混合型驱动电极的EWOD芯片,并且研制了能与设计芯片匹配的驱动控制系统。最终实现了一套具备液滴生成、分裂、定位以及反馈功能的数字微流控方案。实验结果表明提出的方案能够提高液滴生成和分裂的成功率和可靠性。与传统的正方形驱动电极的EWOD芯片相比,该EWOD芯片液滴生成的误差率降低了约7%,单个液滴生成的时间缩短了约240 ms。同时研制的基于嵌入式系统和机器视觉的驱动控制系统可以为其他研究EWOD器件的相关团队提供一个可靠的一体化实验验证平台。

电润湿透镜重复变焦精度指标及其优化方法

借鉴玻璃透镜的研究方法,提出了一种基于统计数据的液体透镜重复变焦精度指标,用于描述其变焦稳定性,并给出了液体透镜设计参数优化及材料优选的实验方法。首先,通过初步实验研究与分析,得到影响液体透镜重复变焦精度的主要影响因素——极性溶液体积、锥度、非极性溶液粘度;其次,以重复变焦精度和变焦范围作为评价指标,发现重复变焦精度与电压的关系不具有单调性,存在先升后降的现象。在此基础上,运用极差分析与综合平衡法,得到各因素的不同影响程度及最优参数组合,采用正交实验法优化设计参数。最后,实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,优化后的液体透镜,在150 V电压处,重复变焦精度为0.2 m^(−1);在0~230 V电压范围内,变焦范围为−15.2~5.85 m^(−1)。结果表明本文所提出的方法基本满足液体透镜变焦稳定可靠、精度高、变焦范围大等要求。

介电层表面纳米织构化及其电润湿行为影响研究

为了更好地调控液滴的形状,探讨了纳米织构化介电层表面的电润湿行为.采用刻蚀和软压印方法在导电基底上实现了紫外光固化聚合物(NOA61)介电层的纳米织构;搭建了实验平台,观察对比了厚度相同而形貌不同的介电层表面的电润湿响应.结果表明,平整光滑介电层在电压较低时表现为不可逆的电润湿响应,当方波电压大于200V时则表现为可逆的电润湿响应;网格纳米织构介电层的可逆转变临界电压为350V,而纳米锥织构介电层则在高达500V以上直至产生接触角饱和现象也仍保持不可逆的电润湿响应;几种介电层的饱和接触角趋于一致.之所以水滴在纳米织构化的介电层表面发生了不可逆的Wenzel接触模式润湿转变,是由于水滴在电场下与织构微观表面之间具有较高的粘滞作用.

硅基Ba_(0.7)Sr_(0.3)TiO_3介质层的电润湿效应

采用特定的"单晶硅基片/Ba0.7Sr0.3TiO3层"微透镜阵列内芯材料,研究其表面的介质上电润湿(EWOD)特性。Ba0.7Sr0.3TiO3是一种钙钛矿结构的铁电体,它具有高的介电常数和低的漏电流特性,其相对介电常数可高达180。通过溶胶——凝胶的方法在单晶硅基底上制备了Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜,分析对比了不同Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜厚度下的电润湿效应。实验结果表明,导电液滴接触角的余弦值随电压的增大而增大;在Ba0.7Sr0.3TiO3厚度不同的情况下Ba0.7Sr0.3TiO3层厚度与接触角余弦值变化率成反比。在绝缘介电层相同厚度情况下,Ba0.7Sr0.3TiO3绝缘介电层的性能要优于派瑞林、氮化硅、二氧化硅绝缘介电层的性能。相关结论验证了Ba0.7Sr0.3TiO3在微透镜阵列中的可行性以及其相对于其它绝缘材料的优越性。

氯化钠液滴在特氟龙表面润湿行为的电控调节研究

为进一步探究界面润湿行为的电控调节机理,掌握电场调控的影响规律,基于能量最小原理和液滴体积不变原则,构建了多因素耦合的介电润湿等效模型,对比分析了加载电压大小、极性、频率变化对氯化钠液滴在特氟龙表面浸润特性的影响。由理论分析和实验测试表明:在0~±70 V范围内,无论是施加正向还是负向电压,接触角均会随电压增大而呈现非线性减小趋势直至饱和,饱和接触角约95.3°,正、负向饱和电压由于离子体积差异相差约10 V。而在施加交流电场时,在50~250Hz内,频率越高,接触角越小,与此同时饱和电压会随着频率的升高而呈现反向降低,本研究为深入探索介电润湿系统调控机理,进一步指导电润湿效应在实际工程中的应用提供理论参考与实验依据。

电润湿液体透镜变焦光学系统设计

电润湿液体透镜是一种可以通过改变两端加载电压从而改变自身光焦度,而不需要改变光学间隔的一种透镜。基于液体透镜所设计的变焦光学系统可以大大减少传统机械变焦光学系统的复杂度。基于康宁A39液体透镜,利用ZEMAX仿真,在20 D的光焦度变化范围内设计了一款焦距变化为16~32 mm,视场角变化为32°~16.36°,变倍比为2,短焦F数为6.3,长焦F数为12.8,且最大口径不超过10 mm的小型二元单液体透镜变焦光学系统。实验结果表明,该系统成像质量良好,在工业镜头等领域有广泛的应用前景。

基于改进等效电容模型的数字微流控液滴定位反馈系统

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控技术是近十年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。为了满足对数字微流控中液滴精准驱动与控制的迫切需求,结合现有的液滴定位方法的研究,设计了改进的等效电容模型,该模型方法在无输入参数下实现多液滴的定位。基于该液滴定位模型,提出了驱动参数的反馈优先级调整策略,最终实现了一套具备驱动、定位及反馈一体的数字微流控控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高微液滴的连续输运的成功率,在同样的芯片参数结构下,成功率提高了接近40%,对数字微流控系统进一步的应用研究具有一定指导意义。

基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片

根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,通过在电极阵列和微液滴之间直接施加电压以实现微液滴的驱动。对单平面微液滴驱动芯片的液滴介电润湿效应进行了仿真分析,结果表明仅使用疏水层便可观察到明显的介电润湿现象,接触角测量值与理论值吻合较好。使用该驱动芯片成功实现了微液滴的稳定传输,传输速度达到3.31 mm/s左右,并在实验基础上分析了传输速度与驱动电压幅值和频率的关系。

油藏润湿性评价方法研究

系统总结了油藏润湿性评价的研究现状和新进展。通过综合比较不同的岩心分析方法,认为应在Amott法和USBM法的基础上,深入发展核磁共振、复电阻率和介电测量等快速评价油藏润湿性的岩心分析方法。同时,考虑到电测井、地层测试等方法仅能定性识判油藏的润湿性,建议在基础实验和理论研究的基础上,建立应用测井(核磁共振、复电阻率、介电等)响应评价油藏润湿性的统计模型,连续地、定量地评价油藏的润湿性。

基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器

为实现在三维空间上对不同光束(平行光、会聚光、发散光)的调整,提出了一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器。根据几何光学、矩阵光学和介电润湿理论,推导出光学传递函数,分析了该光束调整器的控光能力,讨论了工作电压对光束调整器调控性能的影响,并通过仿真模型的验证。结果表明,该光束调整器可以实现平行光的扩束、缩束、平移、会聚和发散;还可对发散光进行光束调整,改变出射光的发散角度、使其变成会聚光或平行光;同时,该光束调整器还可以实现对会聚光进行调节的作用,出射光可以为会聚光、平行光或发散光。当直径为5 mm的平行光经光束调整器,其直径变化范围为3.08~6.92 mm,可左右平移0~0.92 mm,其焦距f可在7.96 mm~∞(双层液体界面为双凸形)范围内或在-∞^-25.99 mm(双层界面为双凹形)范围内调节;对于发散角为20°的发散光,经过该光束调整器,当出射光为发散光时,其发散角的变化范围为0°~45.7°,当出射光为会聚光时,其会聚角的变化范围为0°~14.48°;对于会聚角为20°的会聚光,当出射光为会聚光时,其会聚角的变化范围为0°~49.88°,而当出射光为发散光时,其发散角的变化范围为0°~16.02°。

介电润湿液体棱镜阵列的三维空间光束指向控制

为实现三维空间光束指向控制,提出了一种基于介电润湿效应的液体棱镜阵列系统。根据几何光学和介电润湿理论,推导并分析了光束转向角与液体棱镜单元的最大偏转角、介电润湿接触角、棱镜单元间距及液体折射率等因素之间的关系;通过COMSOL构建介电润湿液体棱镜阵列模型,仿真了电压控制下液体棱镜单元内双液体界面面型的变化过程,模拟再现了该液体棱镜阵列对光束指向的控制特性。结果表明,基于介电润湿技术的液体光学棱镜阵列在一定范围内可实现对光束指向的连续控制。通过选取特定的液体组合,饱和接触角降低到45°,棱镜单元的光束转向范围可提高到28°(-14°~14°)。当光轴间距r为6mm时,液体棱镜阵列系统可以实现在28°圆锥区域内的连续控制,且圆锥顶点位于Z轴22.58mm位置处。

碳纳米管功能化尼龙在介电润湿技术中的应用

通过提拉法制备了碳纳米管功能化尼龙并将其作为介电润湿(EWOD)系统中的柔性电极.利用环境扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对碳纳米管功能化尼龙的形貌进行表征.以碳纳米管功能化尼龙作为EWOD系统的柔性电极,进行EWOD实验并研究了液滴表面张力对接触角随外加电压变化的影响规律.研究结果对通过外加电压精准控制液滴形态具有参考价值.

液体透镜研究现状与展望

液体透镜在图像采集、目标追踪、生物识别和其他便携式电子设备中具有极大的应用潜力。液体透镜与机械变焦透镜相比具有易于加工、结构紧凑、电压直接驱动和功耗低等突出优点,已成为当今微纳研究领域的研究热点之一。综述了国内外现有液体透镜技术的发展现况,通过总结前人的研究方法,展望了未来液体透镜的发展方向。